Alternative Antriebe: Von Brennstoffzellen für flüssige Treibstoffe und Stirlingmotoren

Benötigten Brennstoffzellen bisher meist gasförmige Energieträger wie Wasserstoff, zeigten Forscher des Korea Institute of Science and Technology (KIST) nun eine hocheffiziente Brennstoffzelle, die mit flüssigem Butan betrieben werden kann.

Aus Amerika stammt hingegen die Mobilisierung eines Generators, der eigentlich Häuser mit Strom und Wärme versorgen soll. Ein Fahrzeug der US-Army beweist, dass auch ein Stirlingmotor – theoretisch monatelang – Fahrzeuge antreiben kann.

Brennstoffzellen ohne Probleme beim Tanken

Ein Forschungsteam um Dr. Son Ji-Won entwickelte am Zentrum für Energiematerialforschung des KIST eine leistungsstarke, dünnschichtbasierte, keramische Brennstoffzelle. Im Gegensatz zu herkömmlichen keramischen Brennstoffzellen konnten sie die Betriebstemperatur jedoch auf 500 bis 600° C senken.

Hohe Betriebstemperaturen ermöglichen die Verwendung kostengünstiger Katalysatoren wie Nickel, während Niedertemperatur-Brennstoffzellen auf Platin-Katalysatoren zurückgreifen müssen. Ein weiterer großer Vorteil von Hochtemperatur-Brennstoffzellen besteht darin, dass sie neben reinem Wasserstoff verschiedene andere Brennstoffe wie LPG und LNG einsetzen können. Feuerfeste Materialien und geringe Flexibilität im Ansprechverhalten beschränkten ihre Anwendung jedoch bisher auf große stationäre Stromerzeugungssysteme.

Im Niedertemperaturbereich verlieren keramische Brennstoffzellen ihre Fähigkeit, verschiedene Brennstoffe zu verwenden. Wenn der Nickelkatalysator mit Brennstoffen wie Methan, Propan und Butan verwendet wird, lagert sich Kohlenstoff auf der Oberfläche von Nickel ab. Das führt schließlich zum Ausfall der Zelle. Butan kann jedoch verflüssigt werden und erfordert daher keine teure neue Infrastruktur.

Die Einarbeitung eines zweiten Katalysators ermöglicht nun eine hohe Leistung mit Butan-Kraftstoff auch bei 600° C oder darunter. Diese Technologie erweitert den Anwendungsbereich von keramischen Brennstoffzellen – einschließlich E-Autos, Drohnen und tragbaren Generatoren.

Mobiler Haus-Generator treibt Geländefahrzeug vorwärts

Auch Stirlingmotoren waren bisher eher für den stationären Betrieb geeignet. Entscheidende Vorteile sind ein hoher Wirkungsgrad, praktisch geräuschloser Betrieb, lange Lebensdauer, geringe Emissionen und eine enorme Brennstoffvielfalt. Besonders letzteres war für die Ingenieure der US-Army ausschlaggebend. Denn zusätzlich zu fossilen Brennstoffen könnte ein Stirlingmotor auch mit Holz, heißem Wasser oder anderen Wärmequellen betrieben werden.

Projektleiter Justin Shumaker sagte, es sei vermutlich das erste Mal, dass ein Stirling-Generator dieser Größenordnung für den Antrieb eines Bodenfahrzeugs eingesetzt werde. „Damit ein Stirlingmotor arbeiten kann, muss es einen Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Seite geben“, erklärte Shumaker weiter. „Dies alles muss auf eine Weise geschehen, die sich gut in das Fahrzeug integriert. Zudem muss es zuverlässig sein, genügend Reserve für den Betrieb an sehr heißen Tagen bieten und sehr wenig Strom für Pumpen und Lüfter verbrauchen.“

Die Forscher entwarfen und fertigten mehrere neue Technologien zur Nutzung dieses Generators für den Antrieb. Bis auf das Fahrgestell und die Räder blieb auch vom Fahrzeug, einem großen unbemannten Geländefahrzeug, das zu Land und zu Wasser fahren kann, nicht viel unberührt. „Weil die Effizienz bereits sehr gut ist“, wolle man sich als Nächstes darauf konzentrieren, den Antrieb „leichter und kosteneffektiver zu machen“.

Serienreif ist bisher weder die Butan-Brennstoffzelle noch der Stirling-Antrieb. Wann und ob das eine oder andere System tatsächlich in Serienfahrzeugen auf den Markt kommt, ist ungewiss.

(Mit Material des KIST und der US-Army)